操作系统原理第一章

2020/3/1©2007OperatingSystem1操作系统原理蔡青松[e-mail]计算机学院OperatingSystem22020/3/1课程目标掌握操作系统的基本概念和原理▪处理机管理▪作业管理▪存储器管理▪文件管理▪设备管理了解掌握UnixSystemV&Linux的具体实现▪进程管理▪存储器管理▪文件管理▪输入/出子系统▪进程间通信▪中断/异常处理了解Windows2000的具体实现了解网络与分布式系统的实现技术(选讲)OperatingSystem32020/3/1课程安排先修课程计算机组成原理高级程序设计语言授课方法课堂讲授专题讨论考核方式课堂10%作业及实验20%期末考试70％上课时间地点周二(1-3,4-18单)8:30~10:20周四(1-18)8:30~10:20地点:文2-105实验周二(4-18双)8:30~10:20地点:工2楼二层实验室课程教学资料讲义下载作业提交OperatingSystem42020/3/1教材及辅助资料教材《操作系统原理教程》张丽芬,刘美华编著.电子工业出版社.2005.9.ISBN:7-121-00004-0辅助学习资料《操作系统学习指导与习题解析》张丽芬,李侃,刘利雄编著.电子工业出版社.2006.3.ISBN:7-121-2234-6OperatingSystem52020/3/1OperatingSystem62020/3/1OperatingSystem72020/3/1参考书目AndrewS.Tanenbaum.ModernOperatingSystems(SecondEdition).机械工业出版社(影印版，英文)AndrewS.Tanenbaum.现代操作系统(第二版),陈向群，马洪兵等译.机械工业出版社(影印版，中文).2005.6AbrahamSilberschatz,PeterBaerGalvin,GregGagne.OperatingSystemConcepts(SixthEdition).高等教育出版社(影印版，英文)AbrahamSilberschatz,PeterBaerGalvin,GregGagne.操作系统概念(第六版),郑扣根等译.高等教育出版社(影印版，中文).2004.1OperatingSystem82020/3/1课程的地位计算机操作系统是计算机科学与技术专业的一门核心专业基础课程;操作系统是所有应用系统运行的直接承担者，掌握操作系统原理有助于合理规划和设计应用系统；掌握操作系统的基本机制和原理有助于解决系统级相关问题；掌握操作系统的原理可以有助于了解计算及计算相关问题的解决方法。OperatingSystem92020/3/1本课程的学习方法认真预习，认真听讲，按时完成作业和实验理论联系实际在日常使用计算机系统时，能够用所学理论去解释每一个现象；能够用理论知识预测或者规划应用系统的运行；多问Whattodo&howtodo&why用联系的方法思考随本课程教学计划进行广泛阅读，并做读书笔记OperatingSystem102020/3/1第一章操作系统概论计算机系统的组成与设计目标操作系统的形成与发展OperatingSystem112020/3/11.1计算机系统的组成与设计目标1.计算机系统的组成计算机系统的组成：硬件资源、软件资源。计算机系统可划分为四个层次：硬件、操作系统、实用程序和应用程序，如图1.1所示。单向调用关系：这四层的关系表现为一种单向调用关系，即外层的软件必须以事先约定的方式调用内层软件或硬件提供的服务。通常把这种约定称为界面或接口(interface)OperatingSystem122020/3/1实用程序：各种语言编译程序、文本编辑程序、调试程序、连接装配程序。应用程序：数据库管理软件、计算机辅助设计软件、各种事物处理软件。应用程序实用程序操作系统硬件图1.1计算机系统的组成OperatingSystem132020/3/1计算机系统的层次和用户视图计算机硬件系统操作系统实用程序应用程序应用系统设计者用户系统程序员操作系统设计者系统程序员图1.2计算机系统的层次和用户视图OperatingSystem142020/3/1计算机的硬件系统计算机的硬件系统中央处理器CentralProcessingUnit–CPU,可单个或者多个.存储器外围(辅助)存储器内(主)存储器输入/输出设备基本输入／输出设备:键盘、鼠标、CRT/LCD显示终端，磁盘/带读写设备，USB设备，基本网络接口…扩展输入/输出设备:1394接口设备，WLAN接口、扫描/绘图设备、打印设备…OperatingSystem152020/3/1计算机的软件系统系统软件操作系统系统运行的中心指挥部实用程序各种编译、调试、链接程序文本编辑程序集成开发环境应用程序各种应用系统的总和OperatingSystem162020/3/11.1计算机系统的组成与设计目标2.操作系统的定义和设计目标操作系统的作用宏观上，有效控制和协调计算机系统的硬件资源；微观上，使用计算机系统的各种硬件资源，协调主存储器高效地保存数据，调度CPU完成各种计算，通过外围设备实现与外部的信息交换，使用辅助存储器对数据进行长期保存。同事，也使用各种实用程序来完成用户指定的计算任务。操作系统定义从用户的角度从设计者角度操作系统的设计目标使用户能够简单方便地使用计算机系统完成计算任务；使计算机系统高效运转；OperatingSystem172020/3/1什么是操作系统作为扩展机器(从用户到机器的观点-自顶向下)从扩展机器的角度看,操作系统的作用是提供一台等价的扩展机器(ExtendedMachine),或者称为虚拟机(VirtualMachine),它比低层硬件更容易编程.它为程序员屏蔽了硬件系统的烦琐细节,提供了一种方便操作的抽象.作为资源管理者(从机器到用户的观点-自底向上)从资源管理者的角度看,操作系统的作同是在相互竞争的程序之间有效地控制对处理器/存储器/及其它I/O设备的分配.主要用以记录资源的使用状况,对资源请求进行授权,计算使用费用,并且为不同的程序和用户协调互相冲突的资源请求.OperatingSystem182020/3/11.2操作系统的形成和发展一．顺序处理(手工操作阶段)二．简单的批处理三．多道成批处理系统四．分时系统五．实时系统六．操作系统的功能和特性七．操作系统的进一步发展八．现代操作系统OperatingSystem192020/3/1一.顺序处理(手工操作阶段)特点计算机没有配置OS操作方式由程序员直接使用计算机硬件系统，将程序和数据送入计算机内存。按动启动按钮，计算机开始计算.系统存在的两个问题⑴人工负责计算机的调度用户使用计算机时，首先向机房负责人说明，由机房负责人为他安排上机时间，并预先登记在一张纸上。其中包括各用户几点上机、大约使用计算机多长时间等。⑵人工负责作业编排顺序用户自己安排上机所需的各种程序、数据以及上机的步骤。OperatingSystem202020/3/1缺点：一个用户独占全机资源；CPU等待人工操作，浪费大量的人力和机器的时间，系统利用率很低；OperatingSystem212020/3/1二.批处理系统(BATCHPROCESSSYSTEM)批处理模式的中心思想－使用一个监控程序软件用户不再直接与计算机打交道，而是将自己的作业(卡片叠或纸带)交给机房的操作员。操作员将多个作业按序成批地放在一个输入设备上。监控程序自动启动输入设备将一个个作业读入到磁带上，再将一个个作业顺序装入内存，并控制作业的运行处理。从而实现了各作业之间的自动转接，提高了系统效率。OperatingSystem222020/3/1批处理系统的优点手工操作阶段的两个问题已得到圆满解决监控程序处理调度问题。一批排队的作业以尽可能快的速度执行监控程序负责作业的编排处理问题。用户使用系统提供的作业控制语言命令通过作业控制卡（作业说明书）的形式把对作业的控制意图提交给监控程序。从而不存在空闲的机器时间，减少了人工干预和等待时间。OperatingSystem232020/3/1[例]用户以卡片形式提交作业，提交：•一个用FORTRAN语言编写的程序及程序所用数据。•以“$”开始的作业控制卡。监控程序：•自动读和识别作业控制卡中的命令，并控制作业的执行。•当计算机运行中发生错误或意外时，监控程序通过控制台打字机输出信息向操作员报告。OperatingSystem242020/3/1控制卡功能$JOB启动一个程序$FOR调用FORTRAN编译程序$LOAD调用装入程序$RUN运行程序$END作业结束卡[$FOR]：将用户程序翻译成目标代码，并保存在主存储器或外存中。如果保存在外存中，就需要$LOAD指令,将其装入主存。OperatingSystem252020/3/1图1.3一个批处理作业的运行OperatingSystem262020/3/1批处理系统的优点系统吞吐量大，资源利用率高(适合处理计算量大的、自动化程度高的成熟的作业.)缺点作业的周转时间长，用户无法实现对作业的控制批处理在硬件结构上有两种不同的控制方式早期的联机批处理早期的脱机批处理OperatingSystem272020/3/1早期联机批处理作业的输入、计算和输出是在CPU直接控制下进行的缺点主机的速度在输入/输出过程中，降低为慢速外设的水平,大大降低了CPU的利用效率。为此引入早期的脱机批处理方式。OperatingSystem282020/3/1早期脱机批处理系统带应用带输出带输入带卫星机（外围机）打印机主机卡片输入机图1.4早期的脱机批处理OperatingSystem292020/3/1特点外围机（小型卫星机）代替主机完成作业的输入/输出工作。脱机输入技术在外围机的控制下，预先把作业从低速输入设备输入到磁带上，当CPU需要时，再直接从磁带机高速输入到内存，减少了CPU等待输入的时间。脱机输出技术CPU需要输出时，高速地把结果输出到磁带上，然后在外围机的控制下，把磁带上的计算结果由相应的输出设备输出。主机与慢速外设可以并行工作OperatingSystem302020/3/1三、多道成批处理系统多道程序设计技术(MULTI_PROGRAMMING)硬件通道和中断的出现，使得计算机在组织结构上发生了重大变革。使原先以CPU为中心的体系结构，转变为以主存为中心。通道：是独立于CPU，专门用来控制输入、输出设备的I/O处理机,联接着主存和外设。它可以控制一台或多台外设完成与主存之间的数据交换。中断：当通道控制设备完成传输后，通过中断机构向CPU报告完成情况。►使CPU摆脱了对慢速外部设备的控制操作，►使CPU与外设可以并行操作，提高了CPU的利用率。CPU主存通道I/O设备OperatingSystem312020/3/1多道程序设计技术是指在内存同时放若干道程序，使它们在系统中交叉运行，共享系统中的各种资源。当一道程序暂停执行时，CPU立即转去执行另一道程序。特点多道、宏观上并行(不同的作业分别在CPU和外设上执行)、微观上串行（在单CPU上交叉运行）。多道批处理系统将多道程序设计技术应用于批处理系统，就形成多道批处理系统。OperatingSystem322020/3/1[例]假设一个计算机系统有256k主存(不包含操作系统)，一个磁盘、一个终端和一台打印机。三个作业分别被命名为JOB1、JOB2、JOB3。各作业运行时间分别为5分钟、15分钟和10分钟。它们对资源的具体使用情况如下所示：作业编号JOB1JOB2JOB3作业类型计算型I/O型I/O型占用主存50K100K80K需磁盘情况NONOYES需外设情况NOYESNO需打印机情况NONOYES运